桔梗過氧化物酶Ⅲ基因家族的鑒定及輻射后表達(dá)分析

劉 霄 杜 艷 李雪虎 晉 玲 馬曉輝 王富勝 周利斌，5，*

（1中國科學(xué)院近代物理研究所生物物理室，甘肅 蘭州 730000；2中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3甘肅中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；4定西市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，甘肅 定西 743000；5白銀市科近重離子束生物產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新研究院，甘肅 白銀 730900）

桔梗（Platycodon grandiflorus）是桔?？平酃俚亩嗄晟荼局参?，產(chǎn)地遼闊，主要分布于我國東北、華北、華東、華中及西南地區(qū)，具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力［1］。其干燥根是常用中藥材之一，具有宣肺利咽、排膿祛痰的功效［2］，在新冠病毒的防治中也發(fā)揮了重要作用［3］。隨著基因測序技術(shù)的發(fā)展，桔梗染色體水平的基因組組裝已完成，基因組的總長度為622.86 Mb，編碼基因大于20 000 個基因［4］，但其多數(shù)基因家族仍然缺乏系統(tǒng)的鑒定和功能研究。

過氧化物酶Ⅲ（peroxidases class Ⅲ，PERs）是一個高等植物中普遍存在的多基因抗氧化酶家族，主要參與過氧化氫的催化反應(yīng)，通過過氧循環(huán)、氧化循環(huán)和羥基循環(huán)維持細(xì)胞內(nèi)活性氧的平衡［5］。目前，PERs 這一多基因家族已在擬南芥（Arabidopsis thaliana）和水稻（Oryza sativa）等多種植物中被報道［6］。為促進(jìn)抗氧化物酶的系統(tǒng)研究，2004年瑞士生物信息學(xué)研究所主持建立了專門研究Ⅲ類過氧化物酶家族的數(shù)據(jù)庫PeroxiBase（http：//peroxibase.toulouse.inra.fr/）［7］。此外，非模式植物的抗氧化物酶家族研究也相繼開展，例如大豆（Glycine max）中篩選獲得了164個PERs家族成員，對其中部分成員進(jìn)行了克隆和功能分析［8］；石榴（Punica granatumL.）中共鑒定出107 個PERs 基因家族成員［9］；茶樹［Camellia sinesis（L.）O.ktze］中鑒定到122個PERs基因家族成員［10］；谷子（Setaria italicaL.）中鑒定到132個PERs家族成員［11］。

Ⅲ類PERs既參與了植物的生長代謝調(diào)控［12-13］，又能增強(qiáng)植物對鹽脅迫、干旱、低溫等環(huán)境脅迫的耐受性［14-15］。此外，輻射也會影響植物過氧化物酶的活性［16-17］。王婷等［18］研究表明，浮萍（Lemna minorL.）經(jīng)紫外光（ultraviolet radiation B，UV-B）短時間輻射后過氧化物酶的活性降低，而較長時間輻射后過氧化物酶活性增加；60Co-γ射線輻射庫爾勒香梨（Pyrus sinkiangensisYu）和黑麥草（Lolium perenneL.）后都引起了植株過氧化物酶基因的差異表達(dá)［19-20］；許超麗等［21］研究表明，水稻幼苗經(jīng)高能重離子束輻射后，過氧化物酶的活性隨輻射后時間的增加先升高后降低。上述前人研究說明不同類型的輻射均會影響植物過氧化物酶基因的表達(dá)和酶活性。

盡管植物Ⅲ類PERs 家族在抵御脅迫和輻射損傷方面已被廣泛研究，但PERs家族成員的功能研究仍然滯后。由于成員之間功能冗余，底物特異性低，對單個PER基因進(jìn)行探究依然存在挑戰(zhàn)［22］。目前，關(guān)于中藥材桔梗PERs（PgPERs）基因家族鑒定和功能分析鮮見報道，因此，本研究基于生物信息學(xué)對PgPERs 家族進(jìn)行了鑒定，分析其蛋白的理化性質(zhì)、保守基序、啟動子調(diào)控元件及在輻射處理后基因的表達(dá)量變化，以期促進(jìn)對PgPERs特征和功能的理解。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源和試驗材料

在The Arabidopsis Information Resource 數(shù)據(jù)庫（TAIR，https：//www.arabidopsis.org/）檢索并獲取擬南芥過氧化物酶Ⅲ家族73個成員的蛋白序列。從Genome Warehouse 數(shù)據(jù)庫（GWH，https：//ngdc.cncb.ac.cn/gwh/）下載桔?；蚪M的序列文件和注釋文件，登錄號為：GWHARYT00000000。

供試桔梗種子為紫花桔梗，由定西市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院提供，挑選粒型飽滿的桔梗種子用4%的次氯酸鈉消毒10 min，再用無菌水洗5 次，將種子置于1/2 MS（Murashige and Skoog）培養(yǎng)基上培養(yǎng)，光周期為16 h光照/8 h黑暗，培養(yǎng)溫度為（25±1）℃。

1.2 基因家族鑒定和理化性質(zhì)分析

使用TBtools V1.098769 的Blast 功能進(jìn)行序列相似性鑒定［23］，再將鑒定到的蛋白序列與Swissprot 序列比對以濾除旁系同源。過氧化物酶Ⅲ家族的結(jié)構(gòu)域在Pfam 的編號為PF00141（血紅素過氧化物酶結(jié)構(gòu)域），使用TBtools 的HMM 功能進(jìn)行PERs 的結(jié)構(gòu)域鑒定。使用TBtools 的Protein Paramter Calc 功能進(jìn)行蛋白質(zhì)理化性質(zhì)分析。

1.3 蛋白保守模式和啟動子調(diào)控元件分析

使用MEME Suite 5.4.1（https：//meme-suite.org）進(jìn)行保守模式分析，使用TBtools 可視化分析結(jié)果。提取PgPERs基因上游2 000 bp 的啟動子序列，在PlantCARE（http：//bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/plantcare/html/）進(jìn)行基因調(diào)控元件的分析，使用TBtools進(jìn)行可視化。

1.4 系統(tǒng)進(jìn)化樹和共線性分析

使用MEGA 7 進(jìn)行蛋白的多序列比對，用鄰接（neighbor-joining，NJ）法構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹。利用TBtools的One Step MCScanX-Super Fast 功能進(jìn)行桔梗和擬南芥基因的共線性分析，使用Dual Systeny Plot 功能進(jìn)行可視化。

1.5 桔梗幼苗輻射處理及葉面積測定

培養(yǎng)12 d后的桔梗幼苗被高能碳離子束和X射線輻射處理。碳離子束輻射由蘭州重離子研究裝置（Heavy Ion Research Facility in Lanzhou，HIRFL）提供，能量為967 MeV，樣品處平均傳能線密度（linear energy transfer，LET）為34 keV·μm-1，輻射劑量為5、10、15、20 和30 Gy。X 射線輻射采用X-RAD225 X 射線輻射儀（Precision X-Ray，美國），管電壓為225 kV，輻射劑量為10、20、30、40 和60 Gy。對照組與輻射組培養(yǎng)條件一致，但不輻射處理。使用1/2的Hoagland營養(yǎng)液對輻射后的桔梗進(jìn)行水培，培養(yǎng)20 d 后測量最大葉的葉面積。

1.6 RNA測序和分析

輻射后6 和24 h 收集輻射組和對照組樣品，每組3 個生物學(xué)重復(fù)，液氮速凍后保存于-80 ℃冰箱。選取15 Gy 重離子束和20 Gy X 射線輻射后的樣品用于轉(zhuǎn)錄組測序分析。使用十六烷基三甲基溴化銨（cetyltrimethylammonium bromide，CTAB）法提取樣品RNA，使用華大基因DNBSEQ 高通量測序平臺進(jìn)行RNA 測序，再進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)控、與基因組比對、基因注釋，將基因表達(dá)量標(biāo)準(zhǔn)化為每千個堿基的轉(zhuǎn)錄每百萬映射讀取的片段（fragments per kilobase of transcript per million fragments mapped，F(xiàn)PKM）。測序結(jié)果已上傳至國家基因組科學(xué)數(shù)據(jù)中心（National Genomics Data Center，NGDC），登錄號為OMIX001025。使用TBtools 的Blast 功能對RNA 測序序列與鑒定的53 個PgPERs進(jìn)行相似性鑒定，相似度大于99%的確定為PgPERs。分析PgPERs基因在各樣品中的表達(dá)量變化情況，以|Log2（Fold Change）|≥1，且Q 值≤0.05 作為鑒定差異表達(dá)基因的條件。使用輻射組和對照組表達(dá)量差異倍數(shù)的對數(shù)值Log2（Fold Change）做熱圖，使用各樣品的基因FPKM值做表達(dá)量柱狀圖。

1.7 蛋白結(jié)構(gòu)分析

使用SOPMA（https：//npsa-prabi.ibcp.fr/cgi-bin/npsa_automat.pl？page=npsa_sopma.html）對PgPERs蛋白質(zhì)進(jìn)行二級結(jié)構(gòu)分析，使用Phyre2（http：//www.sbg.bio.ic.ac.uk/phyre2/html/）進(jìn)行蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 桔梗過氧化物酶Ⅲ家族的鑒定及其理化性質(zhì)

基于序列相似性鑒定桔梗PERs，根據(jù)TAIR 數(shù)據(jù)庫中已鑒定的擬南芥過氧化物酶Ⅲ（AtPERs）家族成員的蛋白序列，對桔梗蛋白序列比對，得到了63個桔梗PERs蛋白，記為PgPERs。使用Swissprot數(shù)據(jù)庫注釋排除6 個旁系同源。另外，PERs 具有由原卟啉IX 和Fe（Ⅲ）組成的血紅素基團(tuán)，即血紅素過氧化物酶結(jié)構(gòu)域PF00141，所以對桔梗PERs 家族進(jìn)行結(jié)構(gòu)域鑒定，得到64 個PgPERs。綜合兩種鑒定結(jié)果來看，排除旁系同源后，同時具有序列相似性和血紅素過氧化物酶結(jié)構(gòu)域的PgPERs共57個。

根據(jù)Swissprot 注釋信息和桔?；騃D 排序，對PgPERs家族成員進(jìn)行命名（電子附表1）。蛋白理化性質(zhì)分析表明，PgPERs家族成員的蛋白序列長度差異較大：PgPER1-1、PgPER5-3、PgPER64-2、PgPER64-3均小于200個氨基酸，PgPER11為846個氨基酸，其余PgPERs的氨基酸數(shù)量在258～621 之間。PgPERs 的蛋白分子量在11 094～94 422 之間，不穩(wěn)定性指數(shù)為22.18～58.95。其中34 個蛋白為堿性蛋白（占總數(shù)的60%），其余蛋白的理論等電點介于4.46～6.95。

電子附表1 桔梗過氧化物酶Ⅲ家族成員的理化性質(zhì)Electronic Table S1 Physicochemical properties of peroxidases class Ⅲ of Platycodon grandiflorus

2.2 PgPERs的保守基序分布

同一個基因家族編碼的蛋白質(zhì)通常擁有生物學(xué)功能相似的保守序列。保守基序（Motif）分析結(jié)果顯示，PgPER1-1、PgPER5-3、PgPER64-2 和PgPER64-3 蛋白存在明顯不同的Motif模式，可能不屬于PERs 成員，因此在后續(xù)的分析中予以濾除（圖1）。其余53個PgPERs的蛋白質(zhì)序列具有相似的序列特征，即都具有Motif 2、Motif 3、Motif 4、Motif 5、Motif 6、Motif 8 和Motif 9，推測這7個Motifs可能為PgPERs家族蛋白質(zhì)的共有保守基序。28個蛋白都具有9個保守的基序（Motif 1～Motif 9），其中PgPER1-3、PgPER2 和PgPER5-1 的蛋白序列較長，存在多個重復(fù)的Motif。結(jié)果表明，桔梗的Ⅲ類過氧化物酶家族具有相似的保守基序組成和排列順序。

圖1 PgPERs家族的蛋白質(zhì)保守基序分布Fig.1 Distribution of protein conserved motifs of PgPERs family

2.3 PgPERs基因的啟動子調(diào)控元件分布

啟動子中的順式作用元件在基因轉(zhuǎn)錄起始調(diào)控中起重要的作用，其分布規(guī)律揭示了蛋白功能和調(diào)控水平的差異。在PgPERs基因家族啟動子區(qū)檢測到大量生長發(fā)育、植物激素和逆境脅迫相關(guān)的順式作用元件（圖2）。生長發(fā)育相關(guān)的調(diào)控元件包括胚乳發(fā)育、分生組織發(fā)育、細(xì)胞分化和種子特異調(diào)控相關(guān)的作用元件等。植物激素相關(guān)的調(diào)控元件包括茉莉酸、赤霉素、脫落酸、水楊酸和生長素等相關(guān)的順式作用元件。非生物脅迫相關(guān)的調(diào)控元件包括干旱誘導(dǎo)元件、厭氧誘導(dǎo)元件、防御和脅迫響應(yīng)元件、低溫響應(yīng)元件和創(chuàng)傷響應(yīng)元件。以上結(jié)果映證了PERs家族在植物發(fā)育和脅迫響應(yīng)中發(fā)揮重要功能。

圖2 PgPERs的啟動子區(qū)調(diào)控元件Fig.2 Regulation elements of PgPERs in the promoter region

2.4 PgPERs的進(jìn)化分析

基于PgPERs 的氨基酸序列，使用MEGA 構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹。由圖3可知，根據(jù)進(jìn)化距離，這些PgPERs分為5個簇（Cluster）。其中簇1分化時間最早，包含PgPER60在內(nèi)的9個蛋白；簇3 和簇5 包含的PgPERs 最多，分別為15個和17個。桔梗和擬南芥的PERs基因共線性分析發(fā)現(xiàn)這兩個物種間存在29 對共線性關(guān)系（圖4），表明這些PERs 家族的基因在擬南芥和桔梗中具有較高的保守性，這種基因復(fù)制事件在植物進(jìn)化過程中至關(guān)重要。桔梗5 號染色體上的PERs基因與擬南芥的共線性關(guān)系較多，說明這兩個物種5號染色體上的PERs基因可能來自共同的祖先，具有類似的功能。另外，分布在2號、6號和9號染色體的PgPERs基因與擬南芥不存在共線性關(guān)系。

圖3 PgPERs的系統(tǒng)進(jìn)化樹Fig.3 Phylogenetic tree of PgPERs

圖4 桔梗和擬南芥間PERs基因的共線性Fig.4 Collinearity of PERs between Platycodon grandiflorus and Arabidopsis thaliana

2.5 輻射后PgPERs基因的表達(dá)分析

重離子束和X 射線輻射均對桔梗生長有影響，隨著輻射劑量的增加，桔梗葉面積減小。相同劑量下，重離子束對桔梗葉片生長的抑制作用比X 射線更強(qiáng)（圖5-A、B）。15 Gy的重離子束和20 Gy的X射線對桔梗幼苗葉面積的抑制效應(yīng)相當(dāng)，15 Gy重離子束輻射后桔梗的平均葉面積為1.57 cm2，20 Gy X 射線輻射后桔梗的平均葉面積為1.59 cm2。因此選擇對桔梗生長具有相同抑制效應(yīng)的15 Gy 重離子束和20 Gy X 射線輻射處理桔梗幼苗，探究兩種輻射對桔梗抗氧化物酶基因表達(dá)調(diào)控的異同。重離子束和X 射線輻射處理后6 和24 h 共檢測到10 個PgPERs基因的表達(dá)量發(fā)生了顯著變化（圖5-C）。PgPER1-2（圖6-A）、PgPER72-1（圖6-I）和PgPER72-2（圖6-J）在X 射線輻射后24 h 表達(dá)量顯著降低；PgPER3-2（圖6-B）和PgPER55（圖6-H）的表達(dá)量在X 射線輻射后6 h 顯著降低；X 射線輻射后24 hPgPER43的表達(dá)量是對照組的6.77 倍（圖6-G）；PgPER5-5的表達(dá)量在X 射線輻射后6 h 和24 h 都顯著降低（圖6-D）；這些基因在重離子束輻射后都未出現(xiàn)差異性表達(dá)（圖5-C）。重離子束輻射后PgPER5-2（圖6-C）和PgPER12-1（圖6-E）的表達(dá)量分別是對照組的4.63 倍和3.84 倍。PgPER39-1（圖6-F）的表達(dá)量在重離子束和X 射線輻射后6 h 都顯著升高（圖5-C）。這說明重離子束和X 射線輻射導(dǎo)致了PgPERs基因不同的表達(dá)模式，這可能是由于兩種輻射的物理學(xué)特性不同，引發(fā)了桔梗不同的生物學(xué)響應(yīng)。

圖5 重離子束（A）和X射線（B）輻射對桔梗葉面積和PgPERs基因表達(dá)（C）的影響Fig.5 Effects of the heavy ion beam（A）and X-ray（B）radiations on leaf area and expressions of PgPERs （C）of Platycodon grandiflorus

圖6 重離子束和X射線輻射后桔梗PgPERs基因的表達(dá)量Fig.6 Expressions of PgPERs of P.grandiflorus after heavy ion beam and X-ray radiations

2.6 響應(yīng)兩種輻射的PgPERs結(jié)構(gòu)分析

對響應(yīng)重離子束和X 射線輻射的10 個PgPERs 進(jìn)行蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果如表1所示。這些蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)包括α-螺旋、延伸鏈、β-轉(zhuǎn)角和無規(guī)則卷曲，α-螺旋和無規(guī)則卷曲占比較大，β-轉(zhuǎn)角構(gòu)象最少。對蛋白質(zhì)進(jìn)行三級結(jié)構(gòu)預(yù)測，目標(biāo)序列與模型序列的覆蓋度在85%及以上，預(yù)測結(jié)果顯示PgPER1-2、PgPER71-1和PgPER71-2 具有相似的三級結(jié)構(gòu)，其余7 個蛋白的三級結(jié)構(gòu)相似（圖7）。此外，除PgPER43之外，其他9種蛋白被預(yù)測為有跨膜螺旋結(jié)構(gòu)，氨基酸數(shù)量為119～153 個（N 端至C 端），說明這些蛋白可能會經(jīng)歷跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。

圖7 響應(yīng)輻射的PgPERs的三級結(jié)構(gòu)Fig.7 Tertiary structure of PgPERs responded to radiation

表1 響應(yīng)重離子束和X射線輻射的PgPERs二級結(jié)構(gòu)預(yù)測Table 1 Secondary structure prediction of PgPERs responded to heavy ion beam and X-ray radiations

3 討論

植物在非生物脅迫條件下，會通過增強(qiáng)自身的抗氧化活性以減緩活性氧造成的損傷。Ⅲ類過氧化物酶能夠促進(jìn)細(xì)胞對過氧化氫（H2O2）的分解，提高植物對脅迫的耐受性。本研究通過生物信息學(xué)的方法鑒定了桔梗PERs 基因家族，共鑒定出53 個PgPERs，低于擬南芥（73個AtPERs）中的成員數(shù)量，這可能是進(jìn)化過程中基因復(fù)制和丟失造成的結(jié)果。根據(jù)進(jìn)化樹結(jié)果，這些PgPERs共分為5個簇（圖3），包括PgPER60在內(nèi)的9個成員進(jìn)化最早，即Clusterl進(jìn)化最早。桔梗與擬南芥的PERs之間共存在29 對共線性關(guān)系（圖4），說明桔梗與擬南芥的這29個基因由同一個祖先進(jìn)化而來。

Motif分析表明，PgPERs與其他物種的PERs類似，具有9個保守的Motif（圖1），這與Kidwai等［5］的研究結(jié)果一致，說明了植物Ⅲ類過氧化物酶基因家族在進(jìn)化和功能上的保守性。一方面，PERs參與了植物生長發(fā)育的調(diào)節(jié)［12-13］，如PRX8轉(zhuǎn)基因蘋果（Malus domesticaL.）的PER 活性提高了4倍，使蘋果的生長速度加快［24］。另一方面，PERs在脅迫條件下發(fā)揮了重要作用［14-15］，如大豆PER過表達(dá)增強(qiáng)了大豆的耐鹽性［25］；橡膠樹（Hevea brasiliensis）HbPRX42在機(jī)械損傷、干旱和H2O2處理下誘導(dǎo)性表達(dá)［26］。本研究結(jié)果表明PgPERs 啟動子順式作用元件含有多個生長發(fā)育、植物激素和逆境脅迫相關(guān)的調(diào)控元件（圖2），這與Ⅲ類過氧化物酶的多種生物學(xué)功能相互對應(yīng)。

電離輻射是一種應(yīng)用廣泛且有效的育種技術(shù)，輻射作用于植物細(xì)胞，通過輻解水分子產(chǎn)生超氧陰離子、H2O2、羥自由基等活性氧物質(zhì)［27］，這些活性氧不僅可以造成植物的氧化損傷，而且會誘發(fā)抗氧化系統(tǒng)的積極調(diào)控。本研究在重離子束和X 射線輻射桔梗后檢測到10 個PgPERs基因差異表達(dá)（圖5），PgPER39-1在兩種電離輻射處理后6 h都顯著上調(diào)。而PgPER5-2和PgPER12-1表達(dá)量僅在重離子束輻射后顯著上調(diào)（圖5-A），說明基因表達(dá)量增加，使桔梗的抗氧化物酶活性升高。王琳［28］的研究也表明較低劑量的重離子束輻射后過氧化物酶的活性升高。其余7個PgPERs僅在X射線輻射后呈現(xiàn)顯著差異表達(dá)。PgPER3-2、PgPER5-5和PgPER55在X 射線輻射后6 h 下調(diào)。PgPER1-2、PgPER5-5、PgPER72-1和PgPER72-2在X射線輻射后24 h下調(diào)，而PgPER43上調(diào)表達(dá)（圖5-B）。這些PgPERs基因輻射后不同的表達(dá)模式反映了桔梗對不同輻射的響應(yīng)特征。僅2 個基因（PgPER39-1和PgPER43）在X 射線輻射后上調(diào)表達(dá)，推測是因為X 射線輻射后產(chǎn)生較少的活性氧。而重離子束作為高LET 輻射［29］，其能量約為967 MeV，輻射產(chǎn)生了較多活性氧，激活PgPERs表達(dá)以緩解氧化損傷。

響應(yīng)輻射的10 個PgPERs啟動子區(qū)調(diào)控元件主要包括厭氧誘導(dǎo)、干旱、低溫和激素響應(yīng)元件。其中6 個PgPERs基因有脅迫和防御元件（5＇-ATTCTCTAAC-3＇），包括PgPER3-2、PgPER5-5、PgPER12-1、PgPER39-1、PgPER72-1和PgPER72-2（圖2）。結(jié)構(gòu)分析結(jié)果顯示，響應(yīng)電離輻射的PgPERs 二級結(jié)構(gòu)包括了α-螺旋和β-轉(zhuǎn)角等結(jié)構(gòu)，與晶體結(jié)構(gòu)研究報道結(jié)果相似：Ⅲ類過氧化物酶結(jié)構(gòu)主要包括10～12 個保守α-螺旋、由8個半胱氨酸殘基形成的4 個保守的二硫鍵、2 個短的β-鏈和鈣結(jié)合位點［30-31］。PERs的亞細(xì)胞位置是其行使生物功能的重要因素，例如位于細(xì)胞壁、細(xì)胞質(zhì)或質(zhì)體將有助于細(xì)胞壁穩(wěn)定性和壓力耐受。許多定位于細(xì)胞外區(qū)域的PERs在植物生長發(fā)育和植物防御中發(fā)揮重要作用［32-33］，而一些定位于液泡上的PERs通常在植物生長和防御中的作用微弱［34］。在本研究中，響應(yīng)于電離輻射的PgPERs大部分都具有跨膜螺旋，具有分泌到細(xì)胞外的潛能，說明這幾個PgPERs參與桔梗防御和脅迫響應(yīng)。

由于PERs 在植物生長和脅迫耐受中發(fā)揮了重要的作用，一些PERs已經(jīng)通過過表達(dá)產(chǎn)生了對不同類型脅迫耐受的轉(zhuǎn)基因植物。例如，OsPRX38使水稻（Oryza sativa）呈現(xiàn)出對砷的耐受性，使植株的砷含量降低［32］；AtPRX64轉(zhuǎn)基因煙草表現(xiàn)為對鋁的耐受性，并減少了鋁在植物中的積累［35］。上述結(jié)果說明PERs 在作物改良中的應(yīng)用潛力，可以用于提高植物對各類脅迫的耐受性，增強(qiáng)植物對環(huán)境的適應(yīng)性。但PERs基因的功能特征、分子和遺傳研究不足，導(dǎo)致其在作物改良中的應(yīng)用相對滯后。后續(xù)研究將在本研究基礎(chǔ)上，開發(fā)具有脅迫耐受功能的桔梗PERs基因，以期在藥材品種改良中進(jìn)行應(yīng)用。

4 結(jié)論

本研究鑒定了中藥材桔梗的PERs基因家族，分析了成員特點及其幼苗經(jīng)高能重離子束和X射線輻射處理后PgPERs的表達(dá)特征，共鑒定到53 個PgPERs 基因家族成員，其蛋白序列長度主要分布在258～621 個氨基酸之間，多數(shù)是堿性蛋白；PgPERs啟動子區(qū)存在多種與生長發(fā)育、植物激素和逆境脅迫相關(guān)的順式作用元件；與擬南芥相比有29 個基因來自共同的祖先。高能重離子束導(dǎo)致3 個PgPERs上調(diào)表達(dá)，X 射線誘發(fā)了6個PgPERs下調(diào)表達(dá)，這些基因編碼的蛋白二級結(jié)構(gòu)以α-螺旋和無規(guī)則卷曲為主，三級結(jié)構(gòu)的相似度高，并含有跨膜螺旋。